高偉偉，李 鋒，高賢智，孫佰剛，羅衛(wèi)東

（北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191）

0 引言

未來軍用發(fā)動(dòng)機(jī)需要更高的渦輪前溫度來提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱力性能和推重比，勢(shì)必要求發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室具有更高的溫升能力[1]，也意味著未來軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室將向高溫升方向發(fā)展。

遵循高推重比超高溫升燃燒室的發(fā)展趨勢(shì)，參考美國GE公司HukamMongia等關(guān)于1650℃溫升、近化學(xué)恰當(dāng)比陶瓷火焰筒燃燒室研究思路[2-6]，在保證與現(xiàn)有單環(huán)腔燃燒室進(jìn)、出口和機(jī)匣的尺寸限制不變的情況下，提出了1種中心分級(jí)燃燒室設(shè)計(jì)方案，利用燃油中心分級(jí)加3旋流的方法在不同工況下調(diào)節(jié)主燃區(qū)當(dāng)量比，并對(duì)燃燒室氣量進(jìn)行重新分配，取消了摻混孔，對(duì)火焰筒頭部高度、頭部帽罩高度、火焰筒冷卻孔開孔面積進(jìn)行了調(diào)節(jié)，重新進(jìn)行開孔面積規(guī)律設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果與采用相同數(shù)理模型，具有相同主燃室擴(kuò)壓器、外機(jī)匣和燃燒室出口的尺寸的SAC數(shù)值和試驗(yàn)性能進(jìn)行了對(duì)比[7-9]，以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可信度，重點(diǎn)考察了旋流器特征參數(shù)（旋向組合、旋流數(shù)）對(duì)設(shè)計(jì)模型燃燒性能的影響規(guī)律[13-14]。

1 數(shù)理模型和研究方案

1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

中心分級(jí)燃燒室結(jié)構(gòu)及計(jì)算域如圖1所示。設(shè)計(jì)燃燒室為20個(gè)頭部，為了計(jì)算簡便，選取單頭部扇形區(qū)域?yàn)橛?jì)算域。設(shè)計(jì)中心分級(jí)旋流器結(jié)構(gòu)如圖2所示。旋流器由2級(jí)燃油噴射及3級(jí)旋流器組成，1級(jí)燃油噴射采用離心式噴嘴，2級(jí)燃油噴射采用預(yù)膜式空氣霧化噴嘴，2級(jí)燃油噴射角度均為90°，3級(jí)旋流器均為軸向?？紤]到結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在精度和計(jì)算效率方面的優(yōu)勢(shì)，計(jì)算中主要采用了準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于燃燒室內(nèi)幾何模型十分復(fù)雜，劃分網(wǎng)格時(shí)進(jìn)行了分區(qū)處理，對(duì)部分區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為240萬。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[10]對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行了探討和驗(yàn)證。

圖1 中心分級(jí)燃燒室結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格

圖2 中心分級(jí)燃燒室頭部結(jié)構(gòu)

1.2 物理模型和邊界條件

使用FLUENT軟件求解雷諾平均N-S方程來模擬燃燒室全流程3維帶回流的湍流兩相反應(yīng)流定常仿真計(jì)算。由于流場(chǎng)具有很強(qiáng)的旋流特性，適合采用強(qiáng)湍流計(jì)算用的Realizablek-ε 湍流模型：近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，輻射計(jì)算采用DO輻射模型，燃燒模型采用PDF（probabilitydensityfunction）燃燒模型，排放模型采用熱力型NOx排放模型；采用SIMPLE方法進(jìn)行壓力-速度耦合計(jì)算；應(yīng)用2階迎風(fēng)差分格式。計(jì)算中空氣作為不可壓理想流體處理，入口設(shè)為質(zhì)量入口；出口外環(huán)腔、火焰筒、內(nèi)環(huán)腔1、內(nèi)環(huán)腔2均設(shè)為outflow；燃料選用航空煤油。

1.3 研究方案

為了考察設(shè)計(jì)中心分級(jí)燃燒室旋流器旋向組合和各級(jí)旋流角度對(duì)燃燒室燃燒性能的影響，對(duì)以下12個(gè)方案進(jìn)行了對(duì)比研究。其中，方案1~3比較了燃燒室頭部旋向組合的影響；方案1、4、5比較了第1級(jí)旋流器角度的影響；方案1、6、7比較了第2級(jí)旋流器角度的影響；方案1、8~10比較了第3級(jí)旋流器角度的影響；方案7、11、12比較了3級(jí)旋流器參數(shù)的綜合影響，從而篩選出最優(yōu)方案。所有方案各級(jí)旋流器進(jìn)口當(dāng)量面積保持不變。具體研究方案見表1。

表1 中心分級(jí)燃燒室研究方案

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比評(píng)估

由于尚未開展針對(duì)設(shè)計(jì)旋流器的部件試驗(yàn)，對(duì)采用上述數(shù)理模型的單環(huán)腔燃燒室數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可信度。

2.1 總壓恢復(fù)系數(shù)

進(jìn)行單環(huán)腔燃燒室進(jìn)口馬赫數(shù)對(duì)冷態(tài)總壓損失影響的計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖3所示。從圖3中可見部件試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的異同。二者規(guī)律接近，總壓恢復(fù)系數(shù)隨進(jìn)口馬赫數(shù)的增大呈減小趨勢(shì)，計(jì)算的總壓恢復(fù)系數(shù)比試驗(yàn)值偏低，在設(shè)計(jì)點(diǎn)相差約1.5%。

圖3 燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)隨進(jìn)口速度系數(shù)的變化

2.2 燃燒室效率

采用燃?xì)夥治龇y(cè)量全環(huán)形燃燒室的燃燒效率ηc，給出了燃燒效率通用準(zhǔn)則θ 對(duì)ηc的影響，如圖4所示。

圖4 燃燒效率通用特性曲線

其中，燃燒效率通用準(zhǔn)則θ 定義為

從圖4中可見，燃燒效率隨著通用準(zhǔn)則θ 的增大而增大，當(dāng)通用準(zhǔn)則θ>0.8時(shí)，燃燒效率已接近100%；由于燃燒室設(shè)計(jì)點(diǎn)θ=2.388，故其燃燒效率也近乎100%；計(jì)算得到ηc=0.998，由此說明數(shù)值計(jì)算得到的燃燒效率值與部件試驗(yàn)結(jié)果相吻合?？梢哉J(rèn)為，對(duì)燃燒室進(jìn)口參數(shù)較高的狀態(tài)（壓力、溫度等），采用PDF燃燒模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到的燃燒效率是可靠的。

2.3 出口溫度分布

通過部件試驗(yàn)得到的徑向溫度分布曲線與數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖中可見，二者的變化規(guī)律一致，壁面附近偏差較大，由試驗(yàn)時(shí)熱電偶受側(cè)壁輻射及熱傳導(dǎo)的影響所致，總體指標(biāo)較試驗(yàn)值偏大。計(jì)算與試驗(yàn)的溫度場(chǎng)指標(biāo)比較見表2，燃燒室出口溫度分布系數(shù)（OF）指標(biāo)符合較好，而計(jì)算給出的燃燒室出口徑向溫度分布系數(shù)（RF）指標(biāo)偏大。此外，計(jì)算得到的出口截面的燃燒效率為99.2%，與試驗(yàn)值相當(dāng)接近。

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比說明仿真結(jié)果有一定可信度，所選數(shù)理模型可有效用于燃燒室燃燒性能的預(yù)測(cè)和方案篩選。文獻(xiàn)[11-12]驗(yàn)證了采用熱力型和瞬時(shí)型NOx排放模型，可預(yù)測(cè)燃燒室NOx排放，比較不同燃燒室類型和工況條件下NOx排放的大小。

圖5 單環(huán)腔燃燒室出口徑向溫度分布系數(shù)

表2 數(shù)值計(jì)算與部件試驗(yàn)給出的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)比較

3 計(jì)算結(jié)果和分析

3.1 旋向組合的影響

首先比較3級(jí)旋流器不同旋流組合方案對(duì)燃燒室流場(chǎng)及燃燒性能的影響，從而選取可行方案進(jìn)行深入研究。對(duì)應(yīng)代號(hào)分別為A、B-1和B-2。3種方案的回流區(qū)如圖6所示。3種方案的中心截面速度、溫度分布和出口截面溫度分布系數(shù)如圖7~9所示。

圖6 中心截面回流區(qū)輪廓

圖7 方案A、B-1、B-2中心截面速度分布

圖8 方案A、B-1、B-2中心截面溫度分布

從3種旋向組合所形成的中心截面速度分布和回流區(qū)來看，方案A流場(chǎng)更為理想，其回流區(qū)比方案B-1的對(duì)稱，比方案B-2的尺寸大。三者主燃區(qū)溫度場(chǎng)分布基本相同，由于受火焰筒限制的影響，方案A和B-1在主燃孔后火焰筒內(nèi)壁區(qū)域出現(xiàn)了局部高溫區(qū)，方案B-1高溫區(qū)徑向尺度較小，但長度較長，使這一部分高溫區(qū)域影響到出口溫度的分布；方案B-2則沒有出現(xiàn)這一局部高溫區(qū)。從3種旋向組合的出口溫度分布來看，方案A出口溫度分布系數(shù)最小，說明其出口溫度分布最為均勻。

圖9 方案A、B-1、B-2出口溫度分布系數(shù)

產(chǎn)生這一現(xiàn)象實(shí)質(zhì)是由于噴嘴噴射時(shí)形成的油膜在第1、2級(jí)旋流器（部分氣量）流通的2股氣流的剪切力作用下破碎，若第1、2級(jí)旋流器反向，2股氣流的剪切作用將會(huì)大大加強(qiáng)，強(qiáng)剪切力有利于油膜破碎成細(xì)小液滴，預(yù)期霧化效果好。相反，若這2級(jí)旋流器同向，2股氣流的剪切作用相對(duì)較弱，顯然，霧化效果不如前者。第3級(jí)旋流器對(duì)燃燒起穩(wěn)定作用，當(dāng)?shù)?級(jí)旋流器（其余氣量）與第3級(jí)旋流器同向時(shí)，將會(huì)加強(qiáng)主燃區(qū)的流場(chǎng)，提高燃燒穩(wěn)定性。

由此可得，3級(jí)旋流器的最佳出口角旋向組合：第2級(jí)和第1級(jí)反向；第3級(jí)與第2級(jí)同向；具有上述旋向組合的3級(jí)旋流器使設(shè)計(jì)燃燒室穩(wěn)定性更為優(yōu)越，出口溫度場(chǎng)分布更好。

3.2 旋流器旋流角度的影響

旋流器的旋流數(shù)是燃燒室設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，直接影響燃燒性能。軸向葉片式旋流器的旋流數(shù)為

通過調(diào)節(jié)旋流葉片安裝角α 可獲得不同旋流數(shù)。分別將各級(jí)旋流器葉片安裝角比基準(zhǔn)型（方案A）的增大和減小5°，對(duì)比研究二者燃燒性能的差異。

圖10 方案C-1、A、C-2中心截面速度分布

圖11 方案C-1、A、C-2中心截面溫度分布

改變第1級(jí)旋流器旋流角度時(shí)3種方案C-1、A和C-2的中心截面速度、溫度分布和出口截面溫度分布系數(shù)分別如圖10~12所示。從圖中可見，第1級(jí)旋流器旋流數(shù)的變化對(duì)火焰筒頭部速度分布的影響不太明顯，對(duì)燃燒場(chǎng)的分布則有顯著影響。旋流數(shù)較小時(shí)，氣流旋轉(zhuǎn)較弱，氣流流動(dòng)的軸向氣流相對(duì)較強(qiáng)，部分燃料被氣流轉(zhuǎn)移到主燃孔后的區(qū)域，燃燒反應(yīng)較為劇烈的高溫區(qū)拖得較長。而當(dāng)旋流數(shù)增加以后，氣流旋轉(zhuǎn)作用的增強(qiáng)有利于主燃區(qū)內(nèi)燃燒的完成，主燃孔后的高溫區(qū)域范圍較少。但是當(dāng)?shù)?級(jí)旋流器的旋流數(shù)偏離基準(zhǔn)型時(shí)，出口溫度場(chǎng)品質(zhì)惡化，出口溫度分布系數(shù)變化為基準(zhǔn)型的1.07～1.13倍。

由此可以歸納出，第1級(jí)旋流葉片安裝角按照基準(zhǔn)型方案設(shè)計(jì)較為合理，大于或小于基準(zhǔn)型方案安裝角均會(huì)使燃燒室溫度場(chǎng)分布變差。

圖12 方案C-1、A、C-2出口溫度分布系數(shù)

圖13 方案D-1、A、D-2中心截面速度分布

圖14 方案D-1、A、D-2中心截面溫度分布

改變第2級(jí)旋流器旋流角度時(shí)3種方案D-1、A和D-2的中心截面速度、溫度分布和出口截面溫度分布系數(shù)分別如圖13~15所示。從圖中可見，旋流數(shù)較小時(shí)，氣流旋轉(zhuǎn)較弱，氣流流動(dòng)的軸向氣流相對(duì)較強(qiáng)，部分被氣流轉(zhuǎn)移到主燃孔后區(qū)域的燃料在主燃孔后繼續(xù)燃燒，燃燒反應(yīng)較為劇烈的高溫區(qū)拖得較長。而當(dāng)旋流數(shù)增加后，氣流旋轉(zhuǎn)作用的增強(qiáng)有利于主燃區(qū)內(nèi)燃燒的完成，主燃孔后的高溫區(qū)域范圍較小。當(dāng)?shù)?級(jí)旋流器的旋流數(shù)偏離基準(zhǔn)型時(shí)，隨著第2級(jí)旋流器旋流數(shù)的增加，出口溫度分布有所改善。但第2級(jí)葉片安裝角相對(duì)增大時(shí)對(duì)燃燒室出口溫度分布系數(shù)的改善沒有其相對(duì)減小時(shí)對(duì)出口溫度分布系數(shù)的惡化帶來的影響劇烈。繼續(xù)增大第2級(jí)旋流葉片角度對(duì)出口溫度分布的改善甚微。因此，第2級(jí)旋流器旋流角度按45°設(shè)計(jì)較為合理。

改變第3級(jí)旋流器旋流角度后3種方案E-1、A和E-2的中心截面速度、溫度分布和出口截面溫度分布系數(shù)分別如圖16~18所示。從圖中可見，第3級(jí)旋流器旋流數(shù)的變化對(duì)火焰筒頭部速度分布和燃燒場(chǎng)的分布均有顯著影響。隨著葉片安裝角的增大，旋流數(shù)增加，回流區(qū)徑向?qū)挾壬杂性龃螅S向長度稍有減?。换亓鲄^(qū)內(nèi)低速區(qū)域逐漸減小。旋流數(shù)較小時(shí)，主燃孔后燃燒反應(yīng)較為劇烈的高溫區(qū)拖得較長。而當(dāng)旋流數(shù)增加后，氣流旋轉(zhuǎn)作用的增強(qiáng)有利于主燃區(qū)內(nèi)燃燒的完成，主燃孔后的高溫區(qū)域幾乎消失。另外，當(dāng)?shù)?級(jí)旋流器的旋流數(shù)偏離基準(zhǔn)型時(shí)，出口溫度場(chǎng)品質(zhì)惡化，出口溫度分布系數(shù)可能變化為基準(zhǔn)型的1.094～1.130倍。

圖15 方案D-1、A、D-2出口溫度分布系數(shù)

圖16 方案E-1、A、E-2中心截面速度分布

圖17 方案E-1、A、E-2中心截面溫度分布

由此可以歸納出，第3級(jí)旋流葉片安裝角按照基準(zhǔn)型方案設(shè)計(jì)較為合理，大于或小于基準(zhǔn)型方案安裝角均會(huì)使燃燒室溫度場(chǎng)分布變差。

由以上分析可知，第1、3級(jí)旋流器葉片安裝角保持與基準(zhǔn)型一致，第2級(jí)葉片安裝角由基準(zhǔn)型的40°增大到45°時(shí)有利于出口溫度分布品質(zhì)的改善，最優(yōu)方案為D-2。為了考察1～3級(jí)旋流器葉片安裝角對(duì)燃燒穩(wěn)定性和出口溫度分布品質(zhì)的綜合影響，還考察了第1、2級(jí)葉片安裝角分別為40°、45°時(shí)，第3級(jí)旋流角度在45°～55°之間變化時(shí)的燃燒性能。對(duì)應(yīng)代號(hào)分別為D-2、F-1和F-2，此時(shí)將方案D-2作為基準(zhǔn)型，以對(duì)比研究第1、2級(jí)旋流葉片按最優(yōu)安裝角設(shè)置時(shí)，增大第3級(jí)葉片安裝角對(duì)出口溫度品質(zhì)的影響。3種方案D-2、F-1和F-2的中心截面速度、溫度分布和出口截面溫度分布系數(shù)分別如圖19~21所示。從圖中可見，隨著第3級(jí)旋流器旋流數(shù)的增加，回流區(qū)尺寸變寬變短，回流區(qū)內(nèi)低速區(qū)有所減小。與方案D-2相比，方案F-1、F-2主燃孔后燃燒反應(yīng)較為劇烈的高溫區(qū)均拖得更長，但這一高溫區(qū)域隨第3級(jí)旋流器旋流數(shù)的增加呈現(xiàn)出先擴(kuò)大后變小的趨勢(shì)。當(dāng)?shù)?級(jí)旋流器的旋流數(shù)偏離基準(zhǔn)型方案D-2的時(shí)，出口溫度場(chǎng)品質(zhì)均發(fā)生了惡化，這與對(duì)表6的分析結(jié)果一致。說明第1、2級(jí)旋流葉片按最優(yōu)安裝角設(shè)置時(shí)，增大第3級(jí)葉片安裝角對(duì)燃燒穩(wěn)定性和出口溫度品質(zhì)起不到改善作用，反而使這2項(xiàng)性能變差。

圖18 方案E-1、A、E-2出口溫度分布系數(shù)

圖19 方案D-2、F-1、F-2中心截面速度分布

圖20 方案D-2、F-1、F-2中心截面溫度分布

綜合以上分析可知，3級(jí)旋流器的旋向組合和旋流角度對(duì)燃燒室燃燒性能有很大影響。在設(shè)計(jì)3級(jí)旋流器時(shí)應(yīng)充分考慮這2方面因素的影響。

圖21 方案D-2、F-1、F-2出口溫度分布系數(shù)

4 結(jié)論

應(yīng)用3維數(shù)值模擬方法，研究了3級(jí)旋流器的幾何參數(shù)（旋向組合、旋流數(shù)）對(duì)所提出的中心分級(jí)燃燒室設(shè)計(jì)方案的燃燒性能的影響，并選出了最優(yōu)化的旋流器設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明：3級(jí)旋流器的旋向組合對(duì)燃燒室流場(chǎng)和出口溫度分布都有一定影響，其最佳旋向組合為第1級(jí)與第2級(jí)反向，第2級(jí)與第3級(jí)同向；3級(jí)旋流器的旋流數(shù)也是影響燃燒室燃燒性能的重要因素，對(duì)模型而言3級(jí)旋流器的最佳旋流角度組合為第1級(jí)40°，第2級(jí)、3級(jí)均為45°。最優(yōu)化的3級(jí)旋流器設(shè)計(jì)方案為方案D-2。

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